Úvod do lineárních regulátorů napětí: 8 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Před pěti lety, když jsem poprvé začínal s Arduino a Raspberry Pi, jsem o napájení příliš nepřemýšlel, v této době byl napájecí adaptér z Raspberry Pi a USB napájení Arduina více než dost.

Ale po nějaké době mě moje zvědavost přiměla zvážit jiné způsoby napájení a po vytvoření dalších projektů jsem byl nucen uvažovat o různých a pokud možno nastavitelných zdrojích stejnosměrného napájení.

Zvláště, když dokončíte svůj návrh, budete určitě chtít postavit trvalejší verzi svého projektu, a proto budete muset zvážit, jak mu poskytnout energii.

V tomto tutoriálu vysvětlím, jak si můžete vytvořit vlastní lineární napájecí zdroj s široce používanými a cenově dostupnými regulátory napětí IC (LM78XX, LM3XX, PSM-165 atd.). Dozvíte se o jejich funkčnosti a implementaci pro vaše vlastní projekty.

Krok 1: Aspekty návrhu

Společné úrovně napětí

Existuje několik standardních úrovní napětí, které váš návrh může vyžadovat:

• 3,3 Voltů DC-Toto je běžné napětí používané Raspberry PI a nízkoenergetickými digitálními zařízeními.
• 5 Voltů DC - Toto je standardní napětí TTL (Transistor Transistor Logic) používané digitálními zařízeními.
• 12 V DC - používá se pro stejnosměrné, servomotory a krokové motory.
• 24/48 voltů DC - široce používané v projektech CNC a 3D tisku.

Při návrhu byste měli vzít v úvahu, že napětí na logické úrovni je třeba velmi přesně regulovat. Například u zařízení s napětím TTL musí být napájecí napětí mezi 4,75 a 5,25 voltů, jinak jakákoli odchylka napětí způsobí, že logické součásti přestanou správně fungovat nebo dokonce zničí vaše součásti.

Na rozdíl od zařízení s logickou úrovní se napájecí zdroj pro motory, diody LED a další elektronické součástky může v širokém rozsahu lišit. Kromě toho musíte vzít v úvahu aktuální požadavky projektu. Zejména motory mohou způsobit kolísání odběru proudu a je třeba navrhnout napájecí zdroj tak, aby vyhovoval situaci „nejhoršího případu“, kdy je každý motor provozován na plný výkon.

U návrhů napájených ze sítě a napájených z baterie musíte použít jiný přístup k regulaci napětí, protože úrovně napětí baterie se budou při vybíjení baterie měnit.

Dalším důležitým aspektem návrhu regulátoru napětí je účinnost - zejména u projektů napájených bateriemi musíte snížit ztráty energie na minimum.

POZOR: Ve většině zemí nemůže člověk legálně pracovat s napětím nad 50 V AC bez licence. Jakákoli chyba, které se dopustí jakákoli osoba pracující se smrtelným napětím, může vést k její vlastní smrti nebo smrti jiné osoby. Z tohoto důvodu vysvětlím pouze konstrukci stejnosměrného napájecího zdroje s napětím pod 60 V DC.

Krok 2: Typy regulátorů napětí

Existují dva hlavní typy regulátorů napětí:

• lineární regulátory napětí, které jsou nejdostupnější a snadno se používají
• spínací regulátory napětí, které jsou účinnější než lineární regulátory napětí, ale jsou dražší a vyžadují složitější návrh obvodu.

V tomto tutoriálu budeme pracovat s lineárními regulátory napětí.

Elektrická charakteristika lineárních regulátorů napětí

Pokles napětí v lineárním regulátoru je úměrný ztrátovému výkonu integrovaného obvodu, nebo jinými slovy výkon ztrácí vlivem ohřívacího efektu.

Pro ztrátový výkon v lineárních regulátorech lze použít následující rovnici:

Napájení = (VInput - VOutput) x I

Lineární regulátor L7805 musí rozptýlit alespoň 2 watty, pokud by dodával zátěž 1 A (pokles napětí 2 V krát 1 A).

S nárůstem rozdílu napětí mezi vstupním a výstupním napětím roste i ztrátový výkon. To například znamená, že zatímco 7voltový zdroj regulovaný na 5 voltů dodávající 1 ampér by rozptýlil 2 watty lineárním regulátorem, zdroj 12 V DC regulovaný na 5 voltů dodávající stejný proud by rozptýlil 5 wattů, což by činilo regulátor pouze 50 % účinný.

Dalším důležitým parametrem je „Tepelný odpor“v jednotkách ° C/W (° C na Watt).

Tento parametr udává počet stupňů, ve kterých se čip zahřeje nad teplotu okolního vzduchu, na každý watt výkonu, který musí rozptýlit. Jednoduše vynásobte vypočítaný ztrátový výkon tepelným odporem a ten vám řekne, jak moc se tento lineární regulátor zahřeje pod tímto množstvím energie:

Výkon x tepelný odpor = teplota nad okolní teplotu

Například regulátor 7805 má tepelný odpor 50 ° C / Watt. To znamená, že pokud váš regulátor rozptyluje:

• 1 watt, zahřeje se na 50 ° C
• 0,2 W se zahřeje na 100 ° C.

POZNÁMKA: Během fáze plánování projektu zkuste odhadnout požadovaný proud a snížit rozdíl napětí na minimum. Například lineární regulátor napětí 78XX má pokles napětí 2 V (min. Vstupní napětí je Vin = 5 + 2 = 7 V DC), takže můžete použít napájení 7, 5 nebo 9 V DC.

Výpočet účinnosti

Za předpokladu, že výstupní proud se rovná vstupnímu proudu pro lineární regulátor, dostaneme zjednodušenou rovnici:

Účinnost = Vout / Vin

Řekněme například, že máte na vstupu 12 V a potřebujete vydat 5 V při 1 A zátěžového proudu, pak by účinnost pro lineární regulátor byla pouze (5 V / 12 V) x 100 % = 41 %. To znamená, že pouze 41 % výkonu ze vstupu je přeneseno na výstup a zbývající výkon bude ztracen jako teplo!

Krok 3: 78XX lineární regulátory

Regulátory napětí 78XX jsou 3pinová zařízení, která jsou k dispozici v řadě různých balíčků, od velkých výkonových tranzistorových balíčků (T220) až po malá zařízení pro povrchovou montáž, což jsou kladné regulátory napětí. Série 79XX jsou ekvivalentní regulátory záporného napětí.

Řada regulátorů 78XX poskytuje pevná regulovaná napětí od 5 do 24 V. Poslední dvě číslice čísla součásti IC označují výstupní napětí zařízení. To například znamená, že 7805 je kladný 5voltový regulátor, 7812 je kladný 12voltový regulátor.

Tyto napěťové regulátory jsou přímočaré - připojte L8705 a několik elektrolytických kondenzátorů na vstup a výstup a vytvoříte jednoduchý regulátor napětí pro projekty 5 V Arduino.

Důležitým krokem je zkontrolovat v listech pin-out a doporučení výrobce.

Regulátory 78XX (pozitivní) používají následující vývody:

1. VSTUP neregulovaný DC vstup Vin
2. REFERENCE (ZEMĚ)
3. VÝSTUP -regulovaný stejnosměrný výstup Vout

Jedna věc, kterou je třeba si všimnout na verzi těchto regulátorů napětí TO-220, je, že pouzdro je elektricky připojeno ke středovému kolíku (pin 2). U řady 78XX to znamená, že pouzdro je uzemněno.

Tento typ lineárního regulátoru má 2 V výpadkové napětí, v důsledku toho s výstupem 5 V při 1 A musíte mít alespoň 2,5 V DC napětí hlavy (tj. 5 V + 2,5 V = 7,5 V DC vstup).

Doporučení výrobce pro vyhlazovací kondenzátory je CInput = 0,33 µF a COutput = 0,1 µF, ale obecnou praxí je kondenzátor 100 µF na vstupu a výstupu Je to dobré řešení pro nejhorší scénář a kondenzátory pomáhají vyrovnat se s náhlé výkyvy a přechodové jevy v nabídce.

V případě, že napájení klesne pod práh 2 V- kondenzátory stabilizují napájení, aby se zajistilo, že k tomu nedojde. Pokud váš projekt takové přechodové jevy nemá, můžete běžet podle doporučení výrobce.

Jednoduchý lineární obvod regulátoru napětí je pouze regulátor napětí L7805 a dva kondenzátory, ale tento obvod můžeme upgradovat, abychom vytvořili pokročilejší napájecí zdroj s určitou úrovní ochrany a vizuální indikací.

Pokud byste chtěli distribuovat svůj projekt, pak určitě doporučím přidat těch několik dalších komponent, aby se předešlo budoucím nepříjemnostem se zákazníky.

Krok 4: Upgradovaný obvod 7805

Nejprve můžete spínač použít k zapnutí nebo vypnutí obvodu.

Kromě toho můžete umístit diodu (D1), zapojenou v opačném předpětí mezi výstup a vstup regulátoru. Pokud jsou v zátěži induktory nebo dokonce kondenzátory, může ztráta vstupu způsobit zpětné napětí, které může zničit regulátor. Dioda obchází takovéto proudy.

Další kondenzátory fungují jako druh konečného filtru. Musí být dimenzovány na výstupní napětí, ale měly by být dostatečně vysoké, aby vyhovovaly vstupu s malým bezpečnostním rozpětím (např. 16 25 V). Opravdu závisí na druhu zatížení, které očekáváte, a mohou být vynechány pro čisté DC zatížení, ale 100uF pro C1 a C2 a 1uF pro C4 (a C3) by bylo dobrým začátkem.

Navíc můžete přidat LED diodu a příslušný odpor omezující proud a vytvořit tak kontrolku, která je velmi užitečná pro detekci výpadku napájení; když je obvod napájen, LED diody jsou ZAPNUTY, jinak hledejte nějaké poruchy ve vašem obvodu.

Většina regulátorů napětí má ochranné obvody, které chrání čipy před přehřátím, a pokud se příliš zahřeje, sníží výstupní napětí, a proto omezí výstupní proud, takže zařízení nebude zničeno teplem. Regulátory napětí v pouzdrech TO-220 mají také montážní otvor pro připevnění chladiče a já navrhnu, abyste jej rozhodně použili k připojení dobrého průmyslového chladiče.

Krok 5: Více energie od 78XX

Většina regulátorů 78XX je omezena na výstupní proud 1 - 1,5 A. Pokud výstupní proud IC regulátoru překročí maximální povolenou mez, jeho tranzistor s vnitřním průchodem rozptýlí množství energie více, než může tolerovat, což povede do vypnutí.

Pro aplikace, které vyžadují více než maximální povolený proudový limit regulátoru, lze ke zvýšení výstupního proudu použít externí průchodový tranzistor. Obrázek z FAIRCHILD Semiconductor ilustruje takovou konfiguraci. Tento obvod má schopnost produkovat vyšší proud (až 10 A) pro zátěž, ale stále zachovává tepelné vypnutí a ochranu proti zkratu IC regulátoru.

Výkonový tranzistor BD536 navrhuje výrobce.

Krok 6: Regulátory napětí LDO

L7805 je velmi jednoduché zařízení s relativně vysokým výpadkem napětí.

Některé lineární regulátory napětí, takzvané low-dropout (LDO), mají mnohem menší výpadkové napětí než 2V u 7805. Například LM2937 nebo LM2940CT-5.0 má výpadek 0,5V, v důsledku čehož váš napájecí obvod bude mají vyšší účinnost a můžete jej použít v projektech s napájením z baterie.

Minimální rozdíl Vin-Vout, který může lineární regulátor ovládat, se nazývá výpadkové napětí. Pokud rozdíl mezi Vin a Vout klesne pod výpadkové napětí, pak je regulátor v režimu výpadku.

Regulátory s nízkým výpadkem mají velmi malý rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím. Zejména rozdíl napětí lineárních regulátorů LM2940CT-5.0 může dosáhnout méně než 0,5 voltu, než zařízení „vypadnou“. Pro normální provoz by mělo být vstupní napětí o 0,5 V vyšší než výstup.

Tyto regulátory napětí mají stejný tvarový faktor T220 jako L7805 se stejným rozložením - vstup vlevo, zem uprostřed a výstup vpravo (při pohledu zepředu). V důsledku toho můžete použít stejný obvod. Výrobní doporučení pro kondenzátory jsou CInput = 0,47 µF a COutput = 22 µF.

Jednou velkou nevýhodou je, že regulátory s „nízkým výpadkem“jsou dražší (dokonce až desetkrát) ve srovnání s řadou 7805.

Krok 7: Regulovaný napájecí zdroj LM317

LM317 je pozitivní lineární regulátor napětí s proměnným výstupem a je schopen dodávat výstupní proud více než 1,5 A v rozsahu výstupního napětí 1,2–37 V.

. První dvě písmena označují preference výrobce, například „LM“, což znamená „lineární monolitický“. Jedná se o regulátor napětí s proměnným výkonem, a proto je velmi užitečný v situacích, kdy potřebujete nestandardní napětí. Formát 78xx je kladný regulátor napětí nebo 79xx je regulátor záporného napětí, kde „xx“představuje napětí zařízení.

Rozsah výstupního napětí je mezi 1,2 V a 37 V a lze jej použít k napájení štítu Raspberry Pi, Arduino nebo DC Motors Shield. LM3XX má stejný rozdíl vstupního/výstupního napětí jako 78XX - vstup musí být alespoň 2,5 V nad výstupním napětím.

Stejně jako u řady regulátorů 78XX je LM317 třípólové zařízení. Zapojení je ale trochu jiné.

Hlavní věc, kterou je třeba si uvědomit o zapojení LM317, jsou dva odpory R1 a R2, které poskytují referenční napětí regulátoru; toto referenční napětí určuje výstupní napětí. Tyto hodnoty odporu můžete vypočítat následovně:

Vout = VREF x (R2/R1) + IAdj x R2

IAdj je typicky 50 µA a ve většině aplikací zanedbatelné a VREF je 1,25 V - minimální výstupní napětí.

Pokud zanedbáme IAdj, pak lze naši rovnici zjednodušit na

Vout = 1,25 x (1 + R2/R1)

Pokud použijeme R1 240 Ω a R2 s 1 kΩ, pak dostaneme výstupní napětí Vout = 1,25 (1+0/240) = 1,25 V.

Když otočíme knoflíkem potenciometru úplně jiným směrem, pak dostaneme Vout = 1,25 (1+2000/240) = 11,6 V jako výstupní napětí.

Pokud potřebujete vyšší výstupní napětí, měli byste R1 nahradit odporem 100 Ω.

Okruh vysvětlil:

• R1 a R2 jsou nutné k nastavení výstupního napětí. CAdj se doporučuje pro zlepšení odmítnutí zvlnění. Zabraňuje zesílení zvlnění, protože výstupní napětí je nastaveno výše.
• Doporučuje se C1, zvláště pokud regulátor není v těsné blízkosti filtračních kondenzátorů napájecího zdroje. Keramický nebo tantalový kondenzátor 0,1 µF nebo 1 µF poskytuje dostatečné přemostění pro většinu aplikací, zejména pokud jsou použity nastavovací a výstupní kondenzátory.
• C2 zlepšuje přechodovou odezvu, ale není potřebný pro stabilitu.
• Při použití CAdj se doporučuje ochranná dioda D2. Dioda poskytuje dráhu výboje s nízkou impedancí, aby se zabránilo vybíjení kondenzátoru do výstupu regulátoru.
• Při použití C2 se doporučuje ochranná dioda D1. Dioda poskytuje dráhu výboje s nízkou impedancí, aby se zabránilo vybíjení kondenzátoru do výstupu regulátoru.

Krok 8: Shrnutí

Lineární regulátory jsou užitečné, pokud:

• Rozdíl vstupního a výstupního napětí je malý
• Máte nízký proud zátěže
• Požadujete extrémně čisté výstupní napětí
• Musíte zachovat design co nejjednodušší a nejlevnější.

Lineární regulátory se proto nejen snadněji používají, ale ve srovnání se spínacími regulátory poskytují mnohem čistší výstupní napětí bez zvlnění, špiček nebo šumu jakéhokoli typu. Stručně řečeno, pokud není ztrátový výkon příliš vysoký nebo nepotřebujete zesilovač, bude vaší nejlepší volbou lineární regulátor.